基于辐射能量分析的网络拓扑结构探测*

陈雅雯，董乔忠，苏 抗，夏伟杰，吴连慧

（1.南京航空航天大学，南京 210016；2.中国航天科工集团八五一一研究所，南京 210017）

基于辐射能量分析的网络拓扑结构探测*

陈雅雯1，董乔忠2，苏 抗2，夏伟杰1，吴连慧1

（1.南京航空航天大学，南京 210016；2.中国航天科工集团八五一一研究所，南京 210017）

在战场环境中，探测出敌方网络拓扑结构，为寻找网络最佳攻击点奠定了基础，具有重要意义。在研究数据链组网原理的基础上，研究了多址接入方式的探测方法，并提出了基于辐射能量分析的网络拓扑结构探测新方法。该方法通过对信号进行时频分析并结合互联关系矩阵来进行网络拓扑结构判断，仿真结果表明该方法可以有效地判断出敌方的网络拓扑结构和多址接入方式。

网络拓扑结构，数据链，多址接入方式，辐射能量

0 引言

网络中心战是相对平台中心战的信息化战场上的一种新型作战模式，它使作战中心由过去的平台转向网络，因此，信息平台各要素之间的沟通交流都变得非常重要，数据链正是将信息优势转变为作战优势的核心要素［1］。

在战场环境中，探测出敌方网络拓扑结构，为寻找网络最佳攻击点以及关键节点奠定了基础，对网络中心战对抗有重要的现实意义。目前网络中心战对抗中网络拓扑结构方面的研究还较少，并且其中大部分都集中在网络实例的实证研究和网络演化机理的研究，对作战网络拓扑结构的探测研究就少之更少了［2-3］。而传统的无线传感器网络是通过分析各个传感器节点中相应测量数据值来判断节点之间的关联性［4］，但是由于战场网络的防护性和高强度加密性，使得接入网络并且破解出数据难上加难，因此，这种方法在战场上很难实施。

由于数据链采用的无线传输的网络信号会暴露在开放的电磁空间中，为电子侦察提供了基础。因此，本文在研究数据链网络工作原理的基础上，研究了多址接入方式的探测方法并提出了基于辐射能量分析的作战网络拓扑结构探测新方法，并详细阐述了探测原理，最后通过仿真测试验证了该方法的可行性。

1 数据链工作原理

1.1 多址接入技术概述［4-7］

在数据链中，采用多址接入技术的目的是为了确保多个通信节点间公平、高效地共享相同的无线信道资源，实时可靠地传输作战信息，最终完成作战任务。

多址接入方式主要包括时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）。

TDMA将时间分割为周期性的时帧，每一时帧再分割为若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，给每个用户分配一个或多个时隙。用户在指定时隙内发送数据，如果用户在指定时隙中没有数据传输，相应时隙被浪费。

FDMA将通信系统的总频段划分为若干个等间隔、互不重叠的频带，并将这些频带分配给不同用户使用。

CDMA将正交或者准正交的码字分配给不同用户，允许用户在同一频带和同一时间段同时发送数据，通过不同码字区分接收。

1.2 网络拓扑结构概述

数据链发展早期，主要是通过数据链路将以前独立的指挥控制中心、探测雷达和作战飞机连成数据通信网络，地面指挥控制中心与雷达、空中作战飞机共享态势，获得全面的战场态势，进而对战机实施指挥引导，达到“先敌发现，先敌摧毁”的目的。基于这种作战场景，形成了 Link-4A的星状、Link-11的网状拓扑结构，多址接入采用有中心的时分点名呼叫和轮询。为了实现三军联合信息分发，形成了Link-16的分布式网状拓扑结构，多址接入采用无中心的时分多址［5］。

1.2.1 星状拓扑结构［8-10］

在Link-4A数据链中，当两个通信单元进行通信时，一个作为控制站，另一个作为应答站，即指令/回应（Command/Response）协议。控制站在控制时隙内发送控制消息帧，在预留的时间周期内等候应答站的回答。Link-4A采用时分多址方式接入信道，每个时帧长度为32 ms，分为14 ms的控制站发射期和18 ms的应答站应答期。在发射期内，发送控制报文的时间间隔为14 ms。发送应答报文的时间间隔仅为11.2 ms。为了给应答站留出充裕的时间处理控制消息并生成应答消息，应答站接到消息后滞后一个周期再应答，如图1所示。

应答站仅接受控制站信息，并不接受其他应答站的信息。因此，Link-4A数据链构成星状拓扑结构，如图2所示。

图1 Link-4A时隙分配示意图

图2 Link-4A星状拓扑结构

1.2.2 网状拓扑结构［10-12］

Link-11数据链采用了轮询协议（Polling Call）进行通信，它的基本原理是在网络中有一个网控站（NCS），以轮询协议规定，轮流呼叫网络中的各个前哨站，如图3所示。

图3 Link-11时隙分配示意图

网控站询问所有前哨站所需的时间不定，取决于网内前哨站的数目以及每次发送的数据量。网络内的前哨站只有被NCS呼叫到的时候才具备传送数据的资格，前哨站一旦完成数据传送后就立刻转换成接受的模式以备接受下一周期的呼叫，当网络内所有的前哨站都被叫到过一次后再周而复始地从第一个前哨站叫起。此外，前哨站不仅接收控制站信息，也接收其他前哨站的信息，在任意给定的时刻，Link-11链路网络上的参与单元不是在发送数据，就是在接收数据。因此，Link-11数据链构成网状拓扑结构，如图4所示。

图4 Link-11网状拓扑结构

1.2.3 分布式拓扑结构［13-14］

在采用分布式网络结构工作的数据链中，各节点功能作用相同，无主站、从站区分，抗毁能力强。Link-16就是采用分布式网络结构，以时隙为基本单位进行节点的通信，多址接入为无中心的时分多址，它将网络资源分成时间长度一定的时隙，若干个时隙组成一个帧。每帧中的时隙通过时隙分配算法给网络节点。每个节点在规定的时隙内发送本站的战术情报信息，在其他时隙监听其他用户发送的战术情报信息。其中，1个时隙是7.812 5 ms，分为起始段、传送段和保护段。其中起始段和保护段一共占4.458 5 ms，不发射信号，传送段占3.354 ms。

为确保各用户发射时隙不产生碰撞，全网需要统一时间基准，Link-16指定一个节点作为网络时间参考（NTR，Network Time Reference）。以这个时间作为基准，定义时隙的起点和终点，并确保多重网络中时分的校准。该网络时间基准周期性地发送一次入网报文，以协助其他终端与网络同步并获得系统时间。任意节点均可被指定为系统时间基准，其他网络用户要不断和网络时间基准站交换往返计时信息以维持基准的统一性。为了在网络运行过程中维护所有终端同步，通常情况下，非NTR的终端每1 min发送一次RTT消息，NTR收到后在同一时隙的4.275 ms发送RTT应答信号（RTT-R）来达到终端同步保持。

2 基于辐射能量分析的探测原理

由于数据链采用的无线传输的网络信号会暴露在开放的电磁空间中，因此，可以用多个电子侦察平台协同探测，由融合中心对信号进行分析来完成对敌方电磁态势的探测。

2.1 多址接入方式探测

根据TDMA、FDMA和CDMA的定义可知，采用不同接入方式的信号的时频分布有明显区别。因此，根据下式对接收的信号进行短时傅里叶变换。

根据变换结果，作多址接入方式分析。若经过变换后的信号图形，在时域上不重叠，而频域上重叠，那么可以判断采用了TDMA协议；若时域上重叠，而频域上不重叠，那么可以判断为采用了TDMA协议；若时域和频域上都重叠，那么判断为采用了CDMA协议。

2.2 节点互联关系探测

融合中心对电子侦察平台侦收到的辐射信号进行关联挖掘，得到节点之间的关联关系，从而根据此关系得到网络的拓扑结构。为了方便讨论节点与节点之间的互联关系，本文给出在数据链网络中关于支持度、置信度和互联关系矩阵的定义。

定义1（支持度）：支持度是若节点A在某段时隙发送信号，节点B在下一时隙发送回应信号的次数与节点时隙数之比。支持度可以用以下表达式来表示：

定义2（置信度）：置信度是若节点A在某段时隙发送信号，节点B在下一时隙发送回应信号的概率，即为条件概率P（B|A）。置信度90%则表示当节点A中的事件发生时，节点B中的事件也发生的概率为90%。置信度可以用以下表达式来表示：

定义3（频繁节点集）：给定一个最小支持度min_sup，若节点大于最小支持度就称为频繁节点集。

定义4（强关联节点）：若节点同时大于最小支持度和最小置信度则称为强关联节点，即认为这两个节点在通信。

定义5（互联关系矩阵）：互联关系矩阵用来描述网络中节点与节点的互联情况。若网络中有N个节点，那么互联关系矩阵可定义为：

其中aij表示第i个节点与第j个节点之间的关联关系，若aij为0，表示第i个节点与第j个节点不关联，反之，则关联。

Link-16分布式网络结构中的网络同步信号的存在会将其误判为星状网络拓扑结构，但是由于它的固定时间特征（非NTR的终端每1 min发送一次RTT消息，NTR收到后在同一时隙的4.275 ms发送RTT应答信号）使得很容易被识别并滤除，因此，在下文的探测中不考虑网络同步信号的存在。

根据上述各种网络拓扑结构的定义可知，星状网络拓扑结构的互联关系矩阵中应有且仅有一列和一行全为1，此外，除了对角线上的元素其余全为0；网状网络拓扑结构的互联关系矩阵中元素应全为1；分布式网络拓扑结构的互联关系矩阵不存在一行和一列全为1。以四节点为例，其互联关系矩阵可以如下所示：

由于在Link-11的网状网络拓扑结构中，前哨站接收到控制站信息后会回复信号至控制站，而接收其他前哨站的信息时并不予以回复。因此，根据上文给出的强关联节点的定义，并不能准确地判断出前哨站之间的关联关系，会将其误判为星状拓扑结构，但是由于Link-11中网控站询问所有前哨站所需的时间不定，而Link-4A的星状网络拓扑结构中控制站的发射期和应答站的应答期都是固定的，因此，可以根据这点将网状网络拓扑结构与星状拓扑结构分辨开来。

综上，在数据链网络中进行网络拓扑结构探测主要分为以下步骤：

（2）建立互联关系矩阵

（3）对（2）求出的互联关系矩阵进行分析，若存在一列或一行全为1，表示某一个节点与其他节点都通信，此节点为网络的中心节点。在此基础上，对节点的信号的时间-能量图进行分析，若中心节点呼叫所有节点时间都相同，那么节点的网络拓扑结构为星状网络拓扑结构，若时间不同，则为网状网络拓扑结构；反之，则为分布式网络拓扑结构。

3 仿真结果及分析

本文采用仿真实验来模拟战场数据链网络环境，网络中节点数为4个（选取少量节点是从仿真时间和输出曲线便于观察考虑，实际可以生成多个节点，在后面的实验中都据此考虑），分别对采用TDMA协议星状网络拓扑结构（Link-4A）和采用TDMA协议的分布式拓扑结构（Link-16）的信号进行探测，置信度选取为80%。

Link-4A数据链中节点信号如图5所示，控制站节点1发射期为14 ms，应答站节点2～节点4应答期为18 ms，每次点名呼叫/应答周期为32 ms。

图5 节点信号

假设雷达接收到的信号如图5所示，对其作短时傅里叶变换，结果如图6所示。

图6 节点T-F等高图

对短时傅里叶变换后的数据频率向做统计，每个频率点上的幅度相加，最大的峰值处即为信号频率，如图7所示。

图7 频率-幅度图

从图7可以看出每个节点信号的频率都相同，综上可知，该网络采用的时分多址接入方式。

矩阵中第1列和1行全为1，并且由图5可知，节点1每隔32 ms发送一次信号，且每个周期信号维持时间固定，因此，此网络拓扑结构为星状网络拓扑结构。

由于采用时分多址的网状网络拓扑结构（Link-11）的节点信号产生模型以及探测方式与采用时分多址的星状网络拓扑结构相似，仅仅是中心节点每个周期的信号维持时间不固定，此处不再赘述。

Link-16数据链中节点信号如图8所示，信号重复率为14，时隙长度固定为7.812 5 ms，传送段为3.354 ms。

图8 节点信号

假设雷达接收到的信号如图8所示，对其作短时傅里叶变换，结果如图9所示。

图9 节点T-F等高图

图10 频率-幅度图

从图10可以看出每个节点信号的频率都相同，综上可知，该网络采用的时分多址接入方式。

矩阵不存在一行和一列全为1，因此，此网络拓扑结构为分布式网络拓扑结构。

在真实的作战场景中，置信度的选择直接影响网络拓扑结构探测的准确度，而结合信号能量维持时间对得到的互联矩阵进一步分析，可以有效解决阈值选取不当的问题。

当置信度选取过小时，根据关联矩阵分析时，分布式网络拓扑结构可能会被误判为星状拓扑结构或网状拓扑结构，此时结合信号能量持续时间进行判断，因探测到的信号固定周期为7.812 5 ms，固仍可以判断该网络为分布式网络拓扑结构。

当置信度选取过大时，根据关联矩阵进行分析时，网状和星状网络拓扑结构会误判为分布式网络拓扑结构，此时根据判断节点能量维持时间并非固定的7.812 5 ms，因此，可判定为网状和星状拓扑结构中的一种，此时再根据某个节点信号能量维持时间是否固定为14 ms来判断是否为星状拓扑结构。

4 结论

本文对数据链网络工作原理进行了研究，在此基础上研究了多址接入方式的探测方法并提出了基于辐射能量分析的作战网络拓扑结构探测新方法，仿真测试表明该方法是可行的，并且当置信度阈值选取过大或过小时，该方法仍可有效地判断出网络拓扑结构。当对方网络采取星状或网状拓扑结构时，本方法可以有效地判别出关键节点，对网络中心战有重要的现实意义。

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Radiation Energy Analysis Based on Detection of Network Topology

CHEN Ya-wen1，DONG Qiao-zhong2，SU Kang2，XIA Wei-jie1，WU Lian-hui1
（1.Nanjing University of Aeronautics And Astronautics，Nanjing 210016，China；
2.No.8511 Research Institute of China Aerospace Science&Industry Corp，Nanjing 210017，China）

In battlefield environment，it is generally significant to detect enemy network topology，which is convenient to find the best point of network attack.Based on the research of Data Link network principle，the detection method of multiple access mode is studied and a new method to detect the network topology based on the radiation energy analysis is proposed，which uses time-frequency analysis technique and interconnected relationship matrix.Simulation test shows that this method proposed can effectively determine the network topology and multiple access mode.

network topology，data link，multiple access mode，radiation energy

TP393

A

1002-0640（2015）03-0024-05

2014-01-05

2014-03-07

国家自然科学基金（61371170）；江苏高校优势学科建设工程基金资助项目

陈雅雯（1991- ），女，安徽滁州人，硕士研究生。研究方向：信号与信息处理。